JP4106478B2 - 多ビーム走査型露光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光源から発した単一のビームを光束分割素子を介して列状に並ぶ複数のビームに分割し、この分割されたビームを走査光学系により結像面上で走査させる多ビーム走査型露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の多ビーム走査型露光装置は、例えば特開平8−248338号公報に開示される。この公報に開示される装置の光学系は、アルゴンレーザーから発する1本のレーザービームをハーフミラーで分割し、それぞれのビームを光束分割素子を用いて8分割し、合計16本のビームを同時にポリゴンミラーで偏向させることにより結像面上を走査するようにしている。
【0003】
図7は、上記公報の光学系に用いられている光束分割素子を示す斜視図である。この光束分割素子は、両端に斜面が45度となる直角三角プリズム71,72を備え、その間に6枚の平行平面プリズム73a〜73gが配置され、これらをエポキシ系接着剤等の有機系接着剤により接合して構成されている。第1の直角三角プリズム71と平行平面プリズム73aとの間の接合面、および平行平面プリズム73a〜73fどうしの接合面には、光束分割膜74a〜74gが形成されており、平行平面プリズム73gと第2の直角三角プリズム72との間の接合面には反射膜75が形成されている。第1の平行平面プリズム73aの図中後方の端面から入射したビームは、光束分割膜74a〜74gにより8等分されて図中手前側の端面から互いに平行に射出する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の多ビーム走査型露光装置では、光束分割素子の精度を設計通り高く保つことが困難であるため、結像面上でのビーム配列が乱れ、描画品質(主走査線幅、主走査線ピッチムラ)を高く保つことができないという問題がある。すなわち、従来の装置に用いられる光束分割素子は、複数のプリズムを接着剤で貼り合わせて構成されるため、プリズム単体の加工誤差と貼り合わせ時の組立誤差との2種類の誤差を含み、これらが重畳されるため全体の誤差が大きくなり、これがビーム配列を大きく乱す原因となる。
【0005】
また、従来の多ビーム走査型露光装置では、光束分割素子の各プリズムを接着するために有機系の接着剤が用いられているため、ビームの照射エネルギーにより接着剤が炭化(黒化)して透過率が低下し、射出する複数のビーム間のパワーのバランスが崩れるという問題がある。このため、従来の光束分割素子は寿命が短く頻繁な交換が必要であり、一方、入射ビームのパワーもあまり大きくすることはできなかった。
【0006】
この発明は、上述した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、結像面上でのビーム配列を正確に設定することができ、かつ、光束分割素子の耐パワー性を向上させることができる多ビーム走査型露光装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる多ビーム走査型露光装置は、上記の目的を達成させるため、1つのビームを光束分割素子により列状に配列する9つのビームに分岐させ、これらの分岐されたビームを,ポリゴンミラーを含む走査光学系により走査光学系を介して結像面上で走査させる構成において、光束分割素子として、帯状の基準位相パターンが基板上に等ピッチで多数並列して形成された、入射光を回折させて複数の光束に分割するグレーティング型の素子あって、前記基準位相パターンとして、前記ピッチ内を64に等分割した場合の各座標位置での位相 ( 単位:ラジアン ) が以下の値を中心とする所定の誤差範囲内に入る非線形形状のものが、隣接する2基準位相パターン間で位相ギャップを有しない形で形成されている素子を用いたことを特徴とする。
【表2】
【0008】
上記の構成によれば、光源側から入射するビームは光束分割素子の回折作用により一度に9つのビームに分割される。分割された分岐ビームは、走査光学系を介して所定の配列を保ちつつ結像面上を走査する。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる多ビーム走査型露光装置の実施形態を説明する。図1(A)は、実施形態にかかる多ビーム走査型露光装置の光学系を示す主走査面内の説明図、図1(B)はこの光学系の光路を展開して示した光路図、図2(A)は図1の光学系の一部を示す副走査面内の光路図、図2(B)は図2(A)を拡大して示す説明図である。なお、図2(A)では、分割された複数のビーム中の1本の光路を示している。
【0010】
実施形態の装置の光学系は、図1(A)に示されるように、アルゴンレーザー等のガスレーザー光源10から発したビームL1をハーフミラープリズム12によりビームL2、L3に分割し、かつ、それぞれのビームをグレーティング型の光束分割素子26a,26bにより9本のビームに分割し、それぞれ9本中の8本のビームをマルチチャンネル(8チャンネル)の音響光学変調器(AOM)28a,28bにより独立して変調し、これらを偏光ビームスプリッター31により合成し、合成された16本のビームをポリゴンミラー40及びfθレンズ41を含む走査光学系により動的に偏向させて結像面(露光面)50上に走査させる。
【0011】
なお、ビームの走査方向(主走査方向)は紙面と平行な方向であり、光学系と結像面50とは紙面と垂直な方向(副走査方向)に相対的に移動して結像面上に二次元の露光パターンを形成させる。
【0012】
以下、図1および図2を参照しつつ各光学素子の配置、作用について説明する。
ガスレーザー光源10から発したビームL1は、ミラー11により反射されてハーフミラープリズム12に入射する。ハーフミラープリズム12を透過したビームL2は、正のパワーを持つ第1レンズ20aにより収束され、図1(B)に示すように収束位置の後方に配置された音響光学変調器21aに入射する。この音響光学変調器21aは、ポリゴンミラー40の面倒れ誤差を補正するため、ビームを反射している反射面が切り替わる毎に射出角度を調整する。音響光学変調器21aを射出した発散ビームは、正のパワーを持つ第2レンズ22aにより再び収束され、ミラー23aで反射された後に正のパワーを持つ第3レンズ24aに入射する。
【0013】
第3レンズ24aによりほぼ平行光とされたビームは、ミラー25aで反射された後、光束分割素子26aに入射し、図2(B)に示すように、その回折作用により副走査方向に角度差を持つ9本のビームに分割される。分割された9本のビームは正のパワーを持つ第4レンズ(集光レンズ)27aに入射して収束され、その中の1本が遮光板60により遮断され、残りの8本が第4レンズ27aによるビームの収束位置の後方に配置された音響光学変調器28aに入射する。なお、光束分割素子26aは、第4レンズ27aの光源側の焦点位置にほぼ一致して配置されている。
音響光学変調器28aは、前述のように8チャンネルの変調部を備え、入射する8本の光束を独立して変調することができる。音響光学変調器28aから射出したビームは、ミラー30で反射された後、偏光ビームスプリッター31に対してS偏向として入射し、これにより反射される。
【0014】
一方、ハーフミラープリズム12で反射されたビームL3の光路にも、ビームL2の光路に配置されたのと同様の光学素子が配置されている。すなわち、ビームL3は、第1レンズ20b、面倒れ補正用の音響光学変調器21b、第2レンズ22b、ミラー23b、第3レンズ24b、ミラー25b、光束分割素子26b、第4レンズ(集光レンズ)27bを順に透過し、あるいは反射されて、音響光学変調器28bに入射する。音響光学変調器28bから射出したビームは、1/2波長板29を透過した後、偏光ビームスプリッター31に対してP偏向として入射し、これを透過する。
【0015】
偏光ビームスプリッター31で合成された16本の発散ビームは、コリメータレンズを構成する第5、第6レンズ33,34によりほぼ平行光とされ、ポリゴンミラー40により同時に反射、偏向される。偏向された16本のビームは、fθレンズ41とコンデンサレンズ42とを介してそれぞれ結像面50上の異なる位置に収束(結像)する。
【0016】
上記の実施形態のように光束分割素子26a,26bとしてグレーティング型の素子を用いることにより、光源側から入射するビームを光束分割素子の回折作用により一度に複数のビームに分割することができる。したがって、従来の貼り合わせプリズムを用いた場合のような加工・組立誤差による影響を抑えることができ、結像面50上でのビーム配列を正確に設定することができる。また、接着剤を用いていないため、耐パワー性が高く、素子の交換寿命は従来より格段に長くなり、しかも、入射光のパワーをより大きくして描画時間を短縮することも可能である。
【0017】
次に、上記実施形態で用いられている光束分割素子26a,26bの形状について説明する。光束分割素子26a,26bの一方の面には、図3に示されるように、帯状の基準位相パターンP1,P2,P3,P4…が等ピッチで多数並列して形成されている。この基準位相パターンは、ピッチ内で与える位相差が非線形に変化するよう形成され、しかも隣接する基準位相パターンの間での位相ギャップを有しない滑らかな形状である。
【0018】
実施形態のように位相差が非線形に変化するような複雑な位相パターンを持つ回折格子は、干渉法や、干渉法により得られたパターンをマスクとするエッチング法では正確に刻むことができない。そこで、ここでは、機械刻線法によりマスターとなる金型を作成し、その刻線されたマスターのパターンを樹脂や光学ガラスに転写することにより光束分割素子を作成する。
【0019】
また、機械刻線法によりマスターを形成する場合にも、平面上に位相パターンを形成するためには、この平面に平行な面内の直交2軸方向と、平面に垂直な高さ方向との全部で3次元の方向に対してバイトと金型とを相対的に駆動制御しなければならず、加工に時間がかかる上、3次元の制御で波長オーダーの精密なパターンを刻むためには駆動装置のコストが高くなる。実施形態では、形成される位相パターンが、その高さがy方向(図3参照)に沿ってのみ変化し、x方向については同一であることに着目し、x方向を円周方向とする円柱面(凹面)上に位相パターンを形成するよう構成している。
【0020】
この方法によれば、バイトと金型との相対的な位置を回転軸方向y、及び回転軸に近接、離反するz方向の二次元方向に制御するのみで金型を加工することができ、比較的簡単な制御で実施形態のように位相パターンが多値、非線形の複雑な位相差を持つグレーティングパターンのマスターを形成することができる。
【0021】
したがって、形成される光束分割素子は、微視的にはメニスカスのシリンダー面を有する形状となるが、シリンダーの曲率半径が素子のサイズと比較して十分に大きいため、巨視的には平行平面板とみなすことができる。なお、位相パターンは、光の入射側、射出側のいずれに配置しても回折効果は同一である。
【0022】
表1は、実施形態の光束分割素子に用いられる基準位相パターンの形状を示す。この表では、基準位相パターンの1ピッチを図3のy方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って0〜63の64の座標に等分割し、各座標での相対的な形状を光の位相差(単位:ラジアン)として示している。実形状は、座標0の点からのz方向の距離として表される場合、空気中での使用を前提とすると、使用波長をλ、素子の屈折率をnとして、位相×λ/(2π(n−1))により求められる。図4は、表1に示される光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフであり、縦軸が位相差、横軸が座標である。この基準位相パターンは、光束を9本に分割するときに、(1)分割された各光束の強度が同一になるようにすること、(2)目的とする分割数以外の位置に余分な光が出ないようにすること、という2つの条件を満たすよう最適化することにより求められた形状である。
【0023】
【表1】
【0024】
以下の表2は、上述の光束分割素子の光束分割性能を示す数値であり、入射光の強度を1として、分割された各光束の光量を次数毎に示している。回折効率は、目的とする分割数の回折光の強度が入射光束の強度に占める割合を示す。なお、表2に示される回折光の強度分布は、図5のグラフに示されている。これらのグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は入射光の強度を1としたときの各次数の回折光の強度を示す。
【0025】
【表2】
【0026】
表2に示されるように、表1の形状を採用することにより極めて高い効率で回折光を利用することができ、しかも、利用される各次数の回折光の強度を均一に保つことができる。
【0027】
なお、上述した実施形態の光束分割素子の位相パターンは、凹凸を反転させた場合にも全く同一の効果を得ることができる。表3は、表1に示す実施形態の光束分割素子の位相パターンの凹凸を反転させた変形例における基準位相パターンの形状を示す。符号の意味は表1におけるのと同一である。図6は、表3に示される光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフであり、縦軸が位相差、横軸が座標である。表3の構成による場合にも、各次数毎の回折光の強度、および回折効率は表2に示す数値と一致する。
【0028】
【表3】
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、光源側から入射するビームは光束分割素子の回折作用により一度に複数のビームに分割されるため、従来の貼り合わせプリズムを用いた場合のような加工・組立誤差による影響を抑えることができ、結像面上でのビーム配列を正確に設定することができる。また、接着剤を用いていないため、耐パワー性が高く、素子の交換寿命は従来より格段に長くなり、しかも、入射光のパワーをより大きくして描画時間を短縮することも可能である。
【0030】
さらに、光束分割素子の基準位相パターンを所定の数値に一致するよう作成することにより、極めて高い効率で回折光を利用することができ、しかも、利用される各次数の回折光の強度を均一に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (A)は、実施形態にかかる多ビーム走査型露光装置の光学系を示す主走査面内の説明図、(B)はこの光学系の光路を展開して示した光路図。
【図2】 (A)は図1の光学系の副走査面内の光路図、(B)は(A)を拡大して示す説明図。
【図3】 実施形態の光束分割素子の位相パターンの形状を示す斜視図。
【図4】 実施形態の光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ。
【図5】 実施形態の光束分割素子の光束分割性能を示すグラフ。
【図6】 実施形態の変形例である光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ。
【図7】 従来の光束分割素子を示す斜視図。
【符号の説明】
10 ガスレーザー光源
12 ハーフミラープリズム
26a,26b 光束分割素子
31 偏光ビームスプリッター
40 ポリゴンミラー
41 fθレンズ
50 結像面
Claims (2)
- 1つのビームを光束分割素子により列状に配列する9つのビームに分岐させ、これらの分岐されたビームを,ポリゴンミラーを含む走査光学系により結像面上で走査させる多ビーム走査型露光装置において、
前記光束分割素子が、
帯状の基準位相パターンが基板上に等ピッチで多数並列して形成された、入射光を回折させて複数の光束に分割するグレーティング型の素子であって、前記基準位相パターンとして、前記ピッチ内を64に等分割した場合の各座標位置での位相 ( 単位:ラジアン ) が以下の値を中心とする所定の誤差範囲内に入る非線形形状のものが、隣接する2基準位相パターン間で位相ギャップを有しない形で形成されている素子である
ことを特徴とする多ビーム走査型露光装置。
- 略平行光として進む前記ビームを収束させる集光レンズと、この集光レンズと前記走査光学系との間に配置され且つ前記集光レンズによって収束された後に発散する前記ビームを再度略平行光にするコリメータレンズとを更に備えるとともに、前記光束分割素子を前記集光レンズの光源側焦点位置に配置したことを特徴とする請求項1記載の多ビーム走査型露光装置。
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